裂隙岩体二维渗流水力学理论模型研究

本研究主要内容包括 :裂隙岩体随机网络模拟、分形几何描述裂隙岩体参数几何特征、二维裂隙岩体等效渗透系数估算、二维裂隙岩体渗流应力耦合 非耦合模型、三维等效连续介质渗流模型、二维裂隙岩体连续介质与离散介质耦合模型、渗流模型与离散元应力模型耦合分析工程问题等。(1)利用三维裂隙网络随机模拟模型 ,针对乌江构皮滩水利枢纽工程平硐裂隙数据 ,研究其裂隙几何参数的分布情况 ,对其中一个优势裂隙组进行了模拟和检验。在模型中 ,基于蒙特卡罗方法 ,对裂隙隙宽的模拟进行了尝试。并应用分形几何的理论对其网络分维和裂隙数分维进行了研究 ,提出应用分形几何来模拟裂隙岩体中裂隙几何参数的方法。(2 )基于裂隙网络的转形 ,提出了裂隙岩块等效渗透系数的简便算法。与数值计算方法比较 ,其计算更简便迅速。 (3)推导了裂隙渗流和应力耦合的理论关系 ,建立二维裂隙岩体渗流应力耦合 非耦合非稳定流模型和三维等效连续介质渗流模型。耦合模型中应用经典耦合关系进行了计算验证 ,模型可以计算多种耦合关系。 (4)建立二维裂隙岩体连续介质和离散介质耦合非稳定流模型 ,并对其数值算法进行了研究。耦合模型使用离散介质渗透理论描述岩体主干裂隙中的水运动 ,使用连续介质渗流理论来描述岩体次要裂隙及孔     

双重裂隙系统断裂损伤渗流张量研究

针对双重裂隙系统渗流，提出断裂损伤渗流张量模型，该模型将主干裂隙网络模拟为非连续介质模型，将裂隙岩块模拟为具有一定开度的扁平圆盘裂纹，由裂隙统计分析和Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ法产生随机网络系统。根据断裂力学理论，按照裂隙的断裂扩展过程建立起渗流张量的演化方程。     

一种裂隙－连续介质的耦合渗流计算方法

目前单独的孔隙介质（如土体）一般采用基于达西定律的连续介质渗流理论进行渗流分析,单独的裂隙介质（如岩体）多用基于立方定律的离散裂隙网络模型进行渗流分析。对于既有孔隙介质,又有裂隙介质的渗流区域,并没有形成一个整体的分析方法。针对裂隙岩基上修筑土石坝这种特殊渗流区域,对岩体裂隙区域和土体孔隙区域采取不同的渗流理论,通过交界区节点水头一致性条件,形成耦合整体渗透矩阵,建立了裂隙－连续介质耦合渗流计算方法,编制了裂隙－连续介质耦合渗流分析程序并进行了算例和工程验证,为裂隙与连续介质的耦合渗流计算提供了新的解决方法。     

论连续介质渗流与非连续介质渗流

系统论述了连续介质、等效连续介质、非连续介质以及连续介质渗流、等效连续介质渗流、非连续介质渗流的数学物理渊源、概念、理论和模型，并从应用角度出发着重分析连续介质渗流、等效连续介质渗流、非连续介质渗流以及耦合介质渗流理论与模型的相对适用范围。     

裂隙岩体渗流网络生成及渗流特性现场试验研究

本文以拉西瓦水电站工程为对象，针对裂隙岩体的典型裂隙网络渗流和壳状渗流结构特点，利用同位素测试及双重介质同孔渗流参数测试法，建立了适合拉西瓦渗流网络，提供了双重介质相应渗流参数。     

坝基岩体裂隙渗流效应数值模拟方法

为获取工程尺度的裂隙岩体三维渗流效应,在裂隙岩体基质岩块和裂隙水力传导特性研究基础上,推导了含裂隙单元渗透系数表达式。基于嵌入裂隙单元（EFE）模型,使用离散裂隙网络（DFNs）技术与连续介质渗流分析方法,提出了利用连续介质渗流分析方法模拟非连续介质渗流效应的数值模拟技术,通过算例对该方法的有效性进行了验证,分析了单元尺度大小对该方法计算准确性的影响,并提出了提高计算精度的措施。工程实例研究表明裂隙岩体渗流分析的EFE模型能够真实地模拟坝基岩体渗流路径和孔隙压力分布,更好地揭示坝基的扬压力实际非规则分布形态。     

三维离散裂隙网络渗流模型与实验模拟

本文根据天然裂隙系统发育规律及其渗透机制，将复杂的裂隙系统划分成带状断层、面状裂缝和管状孔洞三大类型，在忽略岩块渗透性的前提下，建立了由管状线单元、缝状面单元和带状体单元组合而成的三维裂隙网络渗流数值模型，为检验模型的合理性，在室内利用混凝土试块制成的离散体来模拟三维裂隙网络结构，设定不同的边界水位和降雨入渗对裂隙中渗流进行了实验，利用数值模型对实验结果进行了模拟，初步验证模型是合理而可靠的。     

裂隙岩体渗流新模型

为适应网状和层状渗透结构，根据多边形裂隙网络理论．确立了裂隙网络生成的原理和方法，系统地推导了在渗流和应力耦合作用下裂隙岩体渗流模型。并结合拉西瓦水电站坝区岩体裂隙构造的特征，进行了渗流计算和分析；还与连续介质和裂隙网络渗流模型进行了计算比较。     

回龙蓄能电站上水库裂隙岩体三维渗流研究

通过对上水库地质条件的充分认识和掌握，建立了由面状裂隙类、带状断层类渗流方程和裂隙岩块渗流方程组合构成的库坝区双重裂隙系统的三维渗流分析计算模型。然后，对地质体、防渗体及坝体进行了计算单元划分，最后，根据两种边界条件下各种工况、防渗方案的渗漏量计算结果分析，选择并确定了上水库采取全封闭的防渗处理方案，解决了上水库防渗处理方案选择的难题。     

含自由面岩体裂隙网络非线性渗流分析的传导矩阵调整法

岩体裂隙网络渗流自由面不同于连续介质渗流自由面。自由面问题是渗流区域非线性问题,需要通过迭代求解。很多裂隙渗流是非线性渗流,求解属于渗流本构关系非线性问题,同样需要迭代求解。有渗流自由面的非线性渗流问题属于渗流区域和本构双重非线性问题,必须通过双重迭代求解。分析单裂隙非线性渗流规律,在此基础上利用裂隙水量平衡原理建立结点水头数值方程;参考确定连续介质渗流自由面的固定网格法,对岩体裂隙网络全区域的裂隙渗流参数进行分析,利用裂隙网络渗流传导矩阵调整法确定自由面。通过含自由面岩体裂隙网络非线性渗流问题分析得出:岩体裂隙网络渗流的流态与裂隙网络自身性质、边界条件密切相关;如果存在非线性渗流,也并不是所有的裂隙内的渗流都是非线性渗流,而是线性渗流与非线性渗流并存;裂隙流态对裂隙渗流自由面影响很大,由于自然裂隙的水力坡降大多小于1,最后求得的岩体裂隙网络非线性渗流自由面较同条件下的线性自由面高,总体流量则较线性渗流大。渗流双重非线性问题比单重非线性问题要复杂,用传导矩阵调整法分析含自由面岩体裂隙网络非线性渗流双重非线性问题是切实可行的,而对非线性渗流分析是非常有必要的,渗流双重非线性问题分析必须建立在单重非线性问题分析的基础上。     

三峡工程裂隙岩石渗流的数学模型（随机分析方法）

三峡工程高陡岩坡内的渗流状态直接影响工程的安全。裂隙的存在，特别是裂隙的几何特征的随机性，使得准确预报岩体内的渗流状态相当困难。通常，研究岩体渗流是把裂隙岩体当作是连续介质，以便用连续介质力学的方法来分析岩体内的渗流。但是，在水利工程中，用这样的办法来预报渗流状态，与实际出入很大。该文论述古典的渗流理论论不适于用来分析三峡工程等的裂隙岩石渗流问题。概述现代裂隙岩石渗流理论在两个方向的发展。为了能真     

NUMERICAL ANALYSIS OF SATURATED-UNSATURATED SEEPAGE FLOW IN FRACTURED ROCK MASS DUE TO SURFACE INFILTRATION

1 .　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＴｈｅｐａｒｔｆｒｏｍｗａｔｅｒｔａｂｌｅｔｏｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅｄｒｏｃｋｍａｓｓｉｓａｎｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄｒｅｇｉｏｎｗｈｉｃｈｉｓｎｏｔｆｕｌｌｏｆｗａｔｅｒ.Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ,ｓｅｅｐａｇｅｆｌｏｗｉｎｆｒａｃｔｕｒｅｄｒｏｃｋｍａｓｓｄｕｅｔｏｓｕｒｆａｃｅｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｉｓａｓａｔｕｒａｔｅｄ ｕｎ ｓａｔｕｒａｔｅｄｓｅｅｐａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓ .Ｄｕｒｉｎｇｒａｉｎｆａｌｌ (ｏｒｆｌｏｏｄｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇａ…     

三维裂隙网络非稳定渗流数值分析

研究裂隙岩体中渗透水流随时间、边界条件的变化规律，从而客观反映渗透水流情况，具有重要的意义。本文针对分布特别稀疏的三维主干岩体裂隙网络，以渗流区内的水量平衡原理为依据建立基本方程，推导三维岩体裂隙网络非稳定渗流的基本方程；并将三维裂隙网络渗流理论及有限元数值方法运用于主干岩体裂隙网络渗流分析中。基于裂隙岩体网络非稳定渗流数学模型，编制相应的程序。对于工程实例，根据实测情况利用Monte-Carlo模拟出岩体中二级裂隙网络分布情况进行分析，然后进行了三维非稳定渗流分析。计算结果充分体现了岩体中裂隙网络的储水性，当边界条件发生变化时，裂隙岩体中水头分布变化存在一定的滞后性；并表明主干裂隙的强导水性，使得裂隙岩体中的主干裂隙的渗流分析成为渗流分析中的重点。     

三维裂隙网络渗流计算的边界元法及程序

岩体力学性质受结构面控制，表现出强烈的各向异性。同时工程地质师多年的实践认为岩石结构面是具有统计性的，因此岩体结构面网络模拟成为研究岩石力性质的新方向。其中裂隙网络渗流模拟，特别是三维裂隙网络的渗流计算是结构面网络模拟研究工作的重点和难点。又由于对于具有随机性裂隙网络渗流的计算，需要多次形成裂隙网络样本，并对每个样本进行多次计算，因此对渗流计算比确定性渗流提出更高的要求。本文基于将单个裂隙看作为一个不可压缩的二维各向同性多孔介质的假定，运用加权剩余法，推导了单裂隙渗流的边界单元法公式。通过将裂隙之间的交线看作为内部边界，推导了多裂隙相交时的边界单元法公式。利用FORTRAN 90语言编制了相应的计算程序BIEMNF。为验证程序的正确性，利用计算实例进行了考核。     

小湾高拱坝坝区渗流场对应力场的影响

结合小湾水电站高拱坝工程，分析坝区岩体多重理解隙网络渗流的特点及渗流对应力的影响机理，采用多重裂隙网络模型和有限元数值方法对小湾高拱坝建坝蓄水后坝区渗流场和渗流场影响下的应力场进行分析计算。可以看出，建坝蓄水使坝区渗流场发生较大变化，且使大坝附近的坝基岩体竖向有效应力有增大，也使坝肩岩体的拉应力增大。     

三峡工程船闸高边坡岩体长期变形及稳定性有限元分析

提出了三峡工程船闸高边坡岩体的流变模型,计算分析了边坡内渗透水压力对边坡岩体长期变形的影响,并对边坡的长期稳定性作了评价。     

地下核电站裂隙岩体中核素运移分析

地下核电站将反应堆等涉核建筑物布置于稳定的山体中,在厂址选择时必须评价极端严重事故工况下可能的地下水污染对外界环境的影响。结合地下核电站洞室群赋存岩体特征,提出采用以三维渗透系数张量表示的等效连续介质模型模拟裂隙岩体渗流特性,建立"隐含断层"渗流模型,求解洞室群三维渗流场。并以该渗流场为基础,进行核素运移计算。对某初选的地下核电站厂址进行模拟计算表明:在渗控措施作用下,地下洞室群工程区处于"疏干"状态;即使在严重事故工况下,向反应堆洞室内注入冷却水后,洞室内外渗流场不连通,核素不会随消防水渗入外界。     

岩体粗糙裂隙网络渗流分析的子单元法

岩体粗糙裂隙的细部特征对区域整体渗流分析影响很大,以往渗流分析往往没有考虑粗糙裂隙细部特征以及其对整体渗流分析的影响。提出子单元法来分析岩体粗糙裂隙网络渗流,则可以较好的分析上述影响。子单元法将每一裂隙当成一个单元,裂隙内部则分成若干子单元,裂隙单元的总体水力特征受所有的子单元联合作用控制,而细部水力特征由单一子单元体现。根据单裂隙开度分布统计规律模拟裂隙开度分布,将单裂隙等长分段(子单元),根据模拟开度参数求得裂隙中任一子单元的平均隙宽,进一步推导裂隙的单宽流量公式和子单元结点的水头公式。利用岩体裂隙网络渗流理论,结合粗糙单裂隙等宽流量公式,求得各裂隙结点水头,进一步求得裂隙的单宽流量,进而求得裂隙子单元水头和流速。通过分析可得粗糙裂隙网络渗流与平滑裂隙网络存在明显不同:(1)裂隙网络中任一裂隙单宽流量计算公式不同,粗糙裂隙的等效水力隙宽小于平均隙宽;(2)裂隙内水头分布形式不同,光滑裂隙呈直线状分布,而粗糙裂隙呈阶梯状分布;(3)组成裂隙网络渗流传导矩阵的计算公式不同,粗糙裂隙网络考虑了裂隙细部水力特征对渗流的影响;(4)粗糙裂隙子单元法考虑了裂隙开度分布不均匀对裂隙过流能力的影响,更加合理。本研究可为实际工程提供参考。     

Seepage simulation of high concrete-faced rockfill dams based on generalized equivalent continuum model

This research focused on the three-dimensional (3D) seepage field simulation of a high concrete-faced rockfill dam (CFRD) under complex hydraulic conditions. A generalized equivalent continuum model of fractured rock mass was used for equivalent continuous seepage field analysis based on the improved node virtual flow method. Using a high CFRD as an example, the generalized equivalent continuum range was determined, and a finite element model was established based on the terrain and geological conditions, as well as structural face characteristics of the dam area. The equivalent seepage coefficients of different material zones or positions in the dam foundation were calculated with the Snow model or inverse analysis. Then, the 3D seepage field in the dam area was calculated under the normal water storage conditions, and the corresponding water head distribution, seepage flow, seepage gradient, and seepage characteristics in the dam area were analyzed. The results show that the generalized equivalent continuum model can effectively simulate overall seepage patterns of the CFRD under complex hydraulic conditions and provide a reference for seepage analysis of similar CFRDs.